专利名称：一种1.5微米波段的反常色散滤光器及过滤信号的方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及一种利用原子在磁场中产生的反常色散现象进行滤光的原子滤光器及使用该滤光器过滤光通信波段1. 5微米信号光的方法。
背景技术：
1.5微米波段是光通信的重要波段之一。光信号容易受日光星光等杂散光的干扰， 滤光器的作用就是屏蔽信号光频率以外的其他频率的干扰光，因此必不可少。利用原子色散效应的滤光器相比利用原子吸收效应的滤光器来说，具有响应速度快，透过率大的特点， 相比传统的干涉滤光片以及双折射晶体滤光器来说具有更窄的带宽，更好的边带抑制比， 更大的视场角度，更大的透过率，并且工作频率在一定范围内可调谐，在光通信领域有着很大的发展优势。对于1. 5um波段来说，铷原子是一个很好的选择，其能级5P3/2-4D5/2， 5P3/2-4D3/2之间的跃迁频率分别是1529. 37nm, 1529. 26nm (真空波长)，可以用来为 1529nm的光通信信号进行滤波。铷原子的这些跃迁属于激发态能级之间的跃迁，所以相应的反常色散滤光器应是激发态反常色散滤光器。到目前为止，国际上所有的激发态原子滤光器(ESFAD0F)系统中，泵浦激光都是必不可少的组成部分。它用于将原子从基态泵浦到激发态。具体拿铷原子15 !!的 ESFAD0F来说，需要用一束780nm的激光将原子从基态5S1/2泵浦到第一激发态5P3/2，然后才会对的信号光进行滤光。而且激光频率的稳定度对泵浦的效果影响也很大，所以通常一套稳频系统是不可缺少的。泵浦激光系统及其稳频系统都大大增加了滤光器系统的成本和体积。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于减少传统的铷原子15 !! ESFAD0F结构和成本，提出一种新型的滤光器结构，采用无极放电铷原子灯，利用铷灯的射频功率将铷灯内的原子激发到5P3/2激发态，实现了省去传统系统结构中昂贵的780nm泵浦激光系统的目的。大大降低了滤光器的成本、体积和复杂度。为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种1. 5微米波段的反常色散滤光器过滤信号的方法，其步骤为1)在滤光光路中依次放置一第一起偏器、一铷灯、一第二起偏器；其中，所述铷灯置于一静磁场内，且靠近所述第一、二起偏器的两端可透光；2)通过一加热装置将所述铷灯加热到设定温度范围内，并进行温度控制；3)为所述铷灯提供所需的射频功率，使铷灯对目标信号光偏振面进行偏转；4)调整所述第一起偏器或第二起偏器的偏振方向，对输入的信号光进行过滤，得到该目标信号光。进一步的，所述静磁场为一均勻静磁场；所述静磁场方向与铷灯的滤光方向平行或垂直。
进一步的，所述静磁场、铷灯位于一磁屏蔽盒内。进一步的，通过一第一磁体和一第二磁体提供所述静磁场，其中所述第一磁体和第二磁体极性相对，平行或垂直于所述铷灯的滤光方向放置。进一步的，通过一射频耦合线圈为所述铷灯提供所需射频功率；其中，所述铷灯位于所述射频耦合线圈内，所述加热装置以及所述射频耦合线圈位于所述屏蔽盒内。进一步的，通过一加直流电的射频耦合线圈提供所述静磁场，其中所述铷灯放置于所述射频耦合线圈内；所述静磁场为一均勻静磁场，所述静磁场和所述铷灯位于一磁屏蔽盒内。进一步的，通过在所述射频耦合线圈上加一交流电，提供所述射频功率；所述加热装置以及所述射频耦合线圈位于所述屏蔽盒内。进一步的，根据射频功率激发所述铷灯产生的光的颜色，确定该目标信号光所需的射频功率。进一步的，所述信号光以设定角度从所述第一起偏器入射面入射；其中，所述信号光与入射面的夹角小于45°。进一步的，所述第二起偏器前设有一干涉滤光片，用于滤除环境光。进一步的，根据所述铷灯中铷原子及其工作能态确定所述静磁场的磁场大小和方向，使所述铷灯的滤光效果达到最大。一种1. 5微米波段的反常色散滤光器，其特征在于包括滤光光路中依次放置的一第一起偏器、一铷灯、一第二起偏器；其中，所述铷灯置于一静磁场内，且靠近所述第一、二起偏器的两端可透光；所述铷灯外绕有一射频耦合线圈，并设有一加热装置。进一步的，所述静磁场为一均勻静磁场；所述静磁场方向与铷灯的滤光方向平行或垂直。进一步的，所述静磁场、铷灯、加热装置以及所述射频耦合线位于一磁屏蔽盒内。进一步的，通过一第一磁体和一第二磁体提供所述静磁场，其中第一磁体和第二磁体极性相对，平行或垂直于所述铷灯的滤光方向放置。进一步的，所述射频耦合线圈上分别加一交流电和一直流电，其中通过所加直流电提供所述静磁场，通过所加交流电提供所需射频功率。进一步的，所述静磁场为一均勻静磁场；所述铷灯放置于所述射频耦合线圈内； 所述加热装置、射频耦合线圈和所述铷灯位于一磁屏蔽盒内。进一步的，所述第二起偏器前设有一干涉滤光片，用于滤除环境光。本发明提供的新型滤光器结构叙述如下。所述铷灯为一玻璃泡，玻璃泡中充有自然铷原子和缓冲气体，玻璃泡外绕有射频耦合线圈，加热元件固定在铷灯上，用于加热铷灯，铷灯置于两磁铁或通电螺旋线圈形成的均勻静磁场中，两个起偏器放置在铷灯的两端，铷灯靠近起偏器件的两端可透光，还包括一滤光片，位于第二起偏器件和铷灯之间。本发明还提供一种所述滤光器过滤信号光的方法，包括如下步骤1)根据铷灯中的铷原子调整滤光器中静磁场的大小和方向；2)加热元件将铷灯加热到设定温度；3)铷灯的射频耦合线圈为铷灯提供频率为50MHz至300MHz的射频功率，使铷灯发光，铷灯中的工作原子处于激发态；4)通过调节射频耦合线圈的交流电流调整射频功率的大小，使整个铷灯体发光颜色呈最鲜艳的紫红色，此时5P3/2态上能够聚集最多的原子；5)需过滤的信号光入射角度为以滤光器轴向方向为中心，偏斜45°以内，信号光从第一起偏器件入射后穿过铷灯发生偏振面的旋转后透过第二起偏器件，获得过滤后的信号光。与现有技术相比，本发明的积极效果为1)相比于现有技术实现的激发态原子滤光器，本发明由于利用了无极灯不需要一套独立的稳频泵浦激光将基态原子泵浦带激发态，极大地降低了激发态原子滤光器的系统体积和成本。2)本发明由于利用了无极灯，原子的基态和许多激发态都有粒子数布局，所以同一套原子滤光器可以实现几个从激发态开始和从激发态开始到其他元姿态之间的不同波长的同时滤波效果。
图1是实施例1的铷原子激发态反常色散原子滤光器结构示意图；图2是实施例2的铷原子激发态反常色散原子滤光器结构示意图；1-第一起偏器件；2-第一永磁体；3-磁屏蔽外壳；4-射频耦合线圈；5-铷灯； 6-第二永磁体；7-干涉滤光片；8-第二起偏器件；9-加热元件；10-电路盒；11-电线；图3是铷原子的两种同位素85Rb和87Rb基态5S和激发态4P3/2，4D5/2的能级图；图4是以实施例1的铷原子法拉第反常色散原子滤光器的滤光效果和不同电压时射频功率的关系，下面的曲线是铷原子对应的15 !!吸收谱参考曲线。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1本发明的一种实施结构图如图1所示，永磁体2和6为环形，中间能透光，第一永磁铁2和第二永磁铁6极性相对放置，在轴向形成一个平行的磁场。两个永磁体也可以不采用图1的放置方式，而放置于铷灯5的上下方，极性相对，从而形成与轴向垂直的磁场。磁场的不同大小和方向可通过调整第一永磁铁2和第二永磁铁6的位置来获得。第一永磁铁2和第二永磁铁6之间为铷灯5，铷灯5为一圆柱形玻璃泡，玻璃泡中充有铷原子和缓冲气体，缓冲气体基本是惰性气体，如氩，氪、氙；铷灯5外绕有射频耦合线圈4，电路盒10通过电线11与射频耦合线圈4电连接为射频耦合线圈4供电。铷灯5上固定有加热元件9，可以是加热片，还固定有控温装置(图中未显示)对加热温度进行控制，力口热元件9和控温装置通过电线11与电路盒10电连接，电路盒10为其供电。
上述结构皆置于一磁屏蔽外壳3内，磁屏外壳3两侧壁上各有一套筒(图中未显示)，套筒中各有一起偏器件，为第一起偏器件1和第二起偏器件8，第一起偏器件1和第二起偏器件8的起偏方向需使非共振的光的消光比达到最优状态。在第二起偏器件8的前方还放置有一干涉滤光片7，让信号光通过，最大程度的阻挡灯光输出。第一起偏器件1和第二起偏器件8为格兰棱镜。实施例1的滤光器滤出信号光的方法1)根据铷灯5中的铷原子以及其工作能态确定最佳的磁场大小，调整滤光器第一永磁铁2和第二永磁铁6的位置，调节静磁场的大小使滤光效果达到最大，当静磁场的方向与光矢量方向平行时为法拉第(Faraday)滤光器，当静磁场的方向与光矢量方向垂直时为佛格脱(Voigt)滤光器； 2)电路盒10为加热元件9供电使铷灯5加热到设定温度，控温装置对温度进行控制；3)电路盒10为射频耦合线圈4供电，为铷灯5提供60MHz至200MHz的射频功率， 铷灯5被点亮，铷原子处于激发态；4)调节射频功率，使铷灯5发光颜色呈最鲜艳的紫红色；4)需过滤的信号光从第一起偏器件1入射后穿过铷灯5发生偏振面的旋转后经过干涉滤光片7滤掉灯光，透过第二起偏器件8，获得需要频率的信号光。激光可以沿着滤光器的图一所示的光传播方向入射，也可以有一定的相对此方向的入射角，大约45°以内。实施例2本发明的另外一种实施结构如附图2所示。其结构与实施例1接近，但是较实施例1来说，是利用通电螺旋线圈来产生静磁场，代替磁铁。其结构简述如下。铷灯5设置在磁屏蔽盒3内部，射频耦合线圈4绕在铷灯5外，同样不要和铷灯5 碰触，加热元件9对铷灯5加热，控温装置对加热温度进行控制，加热元件9可以为加热圈。 电路盒10通过电线11为加热元件9供电，同时电路盒10通过电线11为射频耦合线圈4 供电，电路盒10打开后给铷灯5供给射频功率，同时为静磁场线圈和射频耦合线圈4提供直流电流，产生轴向静磁场。同时和实施例1 一致，磁屏蔽盒3在轴向的两端侧壁上各有一个套筒，套筒中分别放置一个格兰棱镜1和8，1和8的起偏方向需要调节，以致系统对非共振的光的消光比达到最优状态。在8的前面放置干涉滤光片7，遮挡灯光。实施例2的工作流程和实施例1类似，简述如下。根据铷原子以及其工作能态确定最佳的磁场大小和方向，设计射频耦合线圈4的直流电流来调整静磁场的大小。调整加热元件9和控温装置，使铷灯5加热到最佳温度。选择合适的格兰棱镜1 和8以及滤光片7，组合滤光器系统。在铷灯5熄灭的状态下调节格兰棱镜1和8的起偏方向达到最佳消光比。调节线圈4的交流电流，调整供给的射频功率的大小，以调节铷灯5的发光呈最鲜艳的紫红色。信号光入射方向与实施例1类似。本发明的优点是，使得铷原子ESFAD0F的体积大大减少，小于0. 2升，其结构和普通的基态FADOF类似，省去泵浦激光，大大减少系统的成本。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种1. 5微米波段的反常色散滤光器过滤信号的方法，其步骤为1)在滤光光路中依次放置一第一起偏器、一铷灯、一第二起偏器；其中，所述铷灯置于一静磁场内，且靠近所述第一、二起偏器的两端可透光；2)通过一加热装置将所述铷灯加热到设定温度范围内，并进行温度控制；3)为所述铷灯提供所需的射频功率，使铷灯对目标信号光偏振面进行偏转；4)调整所述第一起偏器或第二起偏器的偏振方向，对输入的信号光进行过滤，得到该目标信号光。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述静磁场为一均勻静磁场；所述静磁场方向与铷灯的滤光方向平行或垂直。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述静磁场、铷灯位于一磁屏蔽盒内。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于通过一第一磁体和一第二磁体提供所述静磁场，其中所述第一磁体和第二磁体极性相对，平行或垂直于所述铷灯的滤光方向放置。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于通过一射频耦合线圈为所述铷灯提供所需射频功率；其中，所述铷灯位于所述射频耦合线圈内，所述加热装置以及所述射频耦合线圈位于所述屏蔽盒内。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过一加直流电的射频耦合线圈提供所述静磁场，其中所述铷灯放置于所述射频耦合线圈内；所述静磁场为一均勻静磁场，所述静磁场和所述铷灯位于一磁屏蔽盒内。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于通过在所述射频耦合线圈上加一交流电，提供所述射频功率；所述加热装置以及所述射频耦合线圈位于所述屏蔽盒内。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据射频功率激发所述铷灯产生的光的颜色，确定该目标信号光所需的射频功率。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述信号光以设定角度从所述第一起偏器入射面入射；其中，所述信号光与入射面的夹角小于45°。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述第二起偏器前设有一干涉滤光片，用于滤除环境光。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据所述铷灯中铷原子及其工作能态确定所述静磁场的磁场大小和方向，使所述铷灯的滤光效果达到最大。
12.—种1.5微米波段的反常色散滤光器，其特征在于包括滤光光路中依次放置的一第一起偏器、一铷灯、一第二起偏器；其中，所述铷灯置于一静磁场内，且靠近所述第一、二起偏器的两端可透光；所述铷灯外绕有一射频耦合线圈，并设有一加热装置。
13.如权利要求12所述的滤光器，其特征在于所述静磁场为一均勻静磁场；所述静磁场方向与铷灯的滤光方向平行或垂直。
14.如权利要求13所述的滤光器，其特征在于所述静磁场、铷灯、加热装置以及所述射频耦合线位于一磁屏蔽盒内。
15.如权利要求12或13或14所述的滤光器，其特征在于通过一第一磁体和一第二磁体提供所述静磁场，其中第一磁体和第二磁体极性相对，平行或垂直于所述铷灯的滤光方向放置。
16.如权利要求12所述的滤光器，其特征在于所述射频耦合线圈上分别加一交流电和一直流电，其中通过所加直流电提供所述静磁场，通过所加交流电提供所需射频功率。
17.如权利要求16所述的滤光器，其特征在于所述静磁场为一均勻静磁场；所述铷灯放置于所述射频耦合线圈内；所述加热装置、射频耦合线圈和所述铷灯位于一磁屏蔽盒内。
18.如权利要求12所述的滤光器，其特征在于所述第二起偏器前设有一干涉滤光片， 用于滤除环境光。
全文摘要
本发明公开了一种1.5微米波段的反常色散滤光器及过滤信号的方法，属于光电子技术领域。本方法为1)在滤光光路中依次放置一第一起偏器、一铷灯、一第二起偏器；2)通过一加热装置将铷灯加热到设定温度范围内，并进行温度控制；3)为铷灯提供所需的射频功率，使铷灯对目标信号光偏振面进行偏转；4)调整第一起偏器或第二起偏器的偏振方向，对输入的信号光进行过滤，得到该目标信号光。本滤光器包括第一起偏器、铷灯、第二起偏器；其中，铷灯置于一静磁场内，且靠近第一、二起偏器的两端可透光；铷灯外绕有一射频耦合线圈，并设有一加热装置。本发明降低了激发态原子滤光器的系统体积和成本，可实现对不同波长同时滤波效果。
文档编号G02B27/28GK102545004SQ20121004203
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月22日 优先权日2012年2月22日
发明者孙钦青, 陈景标 申请人:北京大学